李嘯雪，郭 興，宋 朝，王中平

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024)

0 前 言

目前，水電工程三維設計正處于高速發(fā)展階段，其主要是依托三維設計軟件較為真實地反映構(gòu)筑物形態(tài)，但也存在無法體現(xiàn)建筑物的施工過程這一弊端。四維施工模擬技術(shù)在三維模型的基礎(chǔ)上增加了時間信息，可以用于工程建造過程的動態(tài)模擬[1]。該理論于1996年由美國斯坦福大學整合設施工程中心率先提出[2]，隨后其他國家在該領(lǐng)域的研究和應用也相繼開展[3- 4]。當前，四維施工模擬作為先進的施工管理技術(shù)，已在一些工民建、橋梁、隧洞等試點工程中，以委托科研機構(gòu)研究的方式探索其應用效果[5-7]。第三方商用軟件也配合四維施工模擬方向推出了相關(guān)軟件，如Autodesk公司的Navisworks、Vico Software公司的Virtual Construction、Innovaya公司的Visual Simulation等，都可以實現(xiàn)導入BIM模型信息，實現(xiàn)四維施工模擬功能[2]。但裝配零件兼容性、人機交互界面友好性等抑制了一些商用軟件在相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

大型水利水電工程規(guī)模龐大，包含了水工建筑物、工民建、道路、橋梁以及地下洞室群等多種工程類型，涉及工程范圍廣、專業(yè)接口多。目前水電工程領(lǐng)域中采用四維施工模擬技術(shù)較少，本文參考建筑行業(yè)相關(guān)研究，將四維施工模擬技術(shù)應用于大型水利水電工程，對三維施工總布置的地面工程部分和施工總進度有機整合，使其具有施工過程管理的應用價值。AutodeskNavisworks軟件兼容性較好，支持幾乎所有的主流三維設計軟件模型文件格式[8]，因此本文基于Navisworks軟件開展了大型水電工程的四維施工模擬規(guī)劃研究。

1 基于Navisworks的三維模型整合

1.1 地形曲面創(chuàng)建及挖填方處理

數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model， DTM)是對原始地形特征的一種數(shù)字表達[9]，是工程區(qū)內(nèi)所有建筑物布置及施工活動進行三維設計的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開展四維施工模擬規(guī)劃前的地形曲面創(chuàng)建及挖填方處理方式與三維設計基本一致，主要也是依托Civil 3D等軟件進行創(chuàng)建，后期利用Navisworks強大的兼容性，將Civil 3D獲得的施工場地、道路等三維曲面最終成果，轉(zhuǎn)化成三角網(wǎng)顯示格式導入Navisworks。

由于各三維基礎(chǔ)處理曲面是基于同一個三維地形曲面通過填挖方計算得到，因此，為便于后期對各曲面單獨附著不同的進度時間段，需要對每個曲面分別建立文件，單獨導入Navisworks。由于Navisworks平臺不具有繪圖或修改等編輯圖形對象的功能，因此三維曲面設計成果應在導入Navisworks之前按照最終成果需要呈現(xiàn)的精度進行事先的剖分，這與三維實體文件可在Navisworks中剖分顯示有本質(zhì)差別。

1.1.1 道路曲面預處理

道路工程屬線性工程，開展四維立體式施工規(guī)劃前需按照最終成果需要的顯示精度對每條場內(nèi)道路全長進行剖分，再分段導入Navisworks；要求施工進度控制的精度越高，道路的每段分割長度越小。以道路施工強度分割道路模型見圖1。

圖1 以道路施工強度分割道路模型

1.1.2 渣場曲面預處理

各渣場堆渣進程與工程土石方開挖進度成正相關(guān)。為真實反應工程區(qū)地貌隨工程進度變化，需要綜合分析工程的土石方平衡資料，對各棄渣場的填筑形象增加一個時間維度，綜合分析計算堆渣體上升速度并分別求出對應的渣場形象曲面導入Navisworks，也可將按高程計算獲得的渣場進度形象導入Navisworks。

1.1.3 地形曲面預處理

僅將按照最終成果進度精度分割后的場內(nèi)道路、分別計算的渣場曲面、水庫正常蓄水位高程的水平面、原始地形曲面和施工場地導入Navisworks，并不能完成地面工程模型的三維曲面整合工作。導入Navisworks的全部三維曲面組默認以CAD圖元中自帶的高程參數(shù)顯示，而在挖方的施工場地區(qū)域，原始地面高程高于挖方后形成的場地，施工場地曲面被原始地面覆蓋或消隱，不能正常顯示。因此，必須對地形曲面上施工場地對應的區(qū)域進行預處理，例如提取地形曲面與施工場地交線，將地形曲面上的施工場地對應區(qū)域消除，或?qū)⒌匦吻嫔鲜┕龅貙獏^(qū)域的高程降低至設計高程以下。此外，不同標段施工場地的啟用和基礎(chǔ)處理時間節(jié)點相差較大，故針對各施工場地的地形曲面預處理工作應在不同的地形曲面上進行，并根據(jù)標段進場先后順序?qū)Φ匦晤A處理。開工時間較晚的標段對應的地形曲面應包含前期地形上已經(jīng)改變的所有地貌，反之開工時間較早的標段對應的地形曲面不應包含后期地形上將改變的地貌。

圖2 模型顯示效果

1.2 實體模型整合

所有三維實體模型導入Navisworks時，坐標點、比例以及旋轉(zhuǎn)角度均可以變化，也可通過點選模型后出現(xiàn)的坐標軸進行微調(diào)，調(diào)整建筑物模型朝向，或隱藏建筑物，這些功能可提升輔助性工民建建筑物整合后在模型中的美觀程度。三維實體模型在Navisworks中利用Animator模塊設置剖分路徑，可對該建筑物的建設過程進行示意，但類似的建設過程示意不能嚴格與進度計劃對應，且不便于后期施工項目管理時對該建筑物單元工程的過程控制。因此，為保證四維立體式施工規(guī)劃模型精度，應在三維實體建模時盡量精確，并按照施工強度對應的施工進度，分區(qū)設計實體模型。

圖4 Timeliner中的進度計劃附著

2 施工進度模型鏈接與模型渲染

2.1 施工進度模型嵌入

在四維施工模擬規(guī)劃中，將施工進度數(shù)據(jù)嵌入三維模型是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。Navisworks支持多種進度安排軟件，如Primavera Project Management4～6、Microsoft Project MPX、Primavera P6(Web服務)、Primavera P6 V7(Web服務)及CSV文件(Excel的一種文件存儲格式)[10]。借助軟件中的TimeLiner模塊對導入的三維曲面及實體與嵌入的進度文件相關(guān)聯(lián)，為每一個對象設置起始時間和終止時間，顯示模式可定義為建設、拆除等不同模式。應用Animator模塊可以進行更加細部的施工機械運動軌道編輯，如塔機的轉(zhuǎn)動、運載汽車的行駛等，從而使整個四維立體式施工規(guī)劃模型的效果更加逼真。

2.2 模型渲染

為使整合后的工程區(qū)范圍內(nèi)地面工程三維模型形象盡可能貼近實際工程，在Navisworks軟件的整合模型中分別定義草地、水域、瀝青混凝土路面、面板堆石壩、場地硬化以及堆渣體等多種材質(zhì)，將各三維曲面組和三維實體與定義的材質(zhì)關(guān)聯(lián)，并適當渲染。渲染前后模型形象見圖3。

圖3 模型渲染

3 沂蒙地面工程四維施工模擬規(guī)劃研究

沂蒙抽水蓄能電站地面工程四維施工模擬規(guī)劃研究，以初步創(chuàng)建地面工程四維立體式施工規(guī)劃模型，可動態(tài)顯示施工區(qū)內(nèi)每3個月的地面工程節(jié)點形象為預期成果。

本文重點對上下水庫大壩、場內(nèi)永久道路以及渣場按照平均施工強度估算每3個月的節(jié)點進度，對三維設計得到的三維曲面和三維實體進行分割，并結(jié)合各標段施工場地的進度計劃對地形曲面預處理后導入Navisworks。在初步創(chuàng)建的沂蒙地面工程四維施工模擬規(guī)劃模型中鏈接施工進度，本文采用直接在Navisworks中的Timeliner模塊編輯施工進度，每項Timeliner模塊中的任務以施工時間段(或施工時間段+項目名稱)命名，選取該時間段施工的項目形象文件，附著在相應任務內(nèi)，見圖4。根據(jù)模型需要添加拆除、構(gòu)造以外的任務類型，本文創(chuàng)建了針對過程地形文件的始終顯示任務類型，對最終地形文件、正常蓄水水面文件的始終顯示2類型，以及大壩澆筑過程的任務類型，并分別設置其外觀參數(shù)。

基于Navisworks初步創(chuàng)建了沂蒙抽水蓄能電站地面工程四維施工模擬規(guī)劃模型，模型與設計階段的施工進度計劃相關(guān)聯(lián)，可動態(tài)顯示計劃進度下的施工區(qū)內(nèi)每三個月地面工程的節(jié)點形象。此外，可將施工期單項工程隨現(xiàn)場施工進度調(diào)整后的實際開始時間和實際結(jié)束時間導入Navisworks中的Timeliner模塊，使播放模式由計劃進度變?yōu)閷嶋H進度，便于施工期項目管理。

4 結(jié) 論

四維施工模擬規(guī)劃較好地融合了施工組織設計中施工總布置與施工總進度兩項核心內(nèi)容，該表現(xiàn)形式不僅更趨客觀真實，也有利于施工期項目管理。本文探索了Navisworks軟件在大型水電工程四維施工模擬規(guī)劃中的應用，并基于Navisworks初步創(chuàng)建了沂蒙抽水蓄能電站地面工程四維施工模擬規(guī)劃模型。整個研究過程表明，Navisworks具有較好的兼容性，能夠?qū)utodesk系列的其他軟件如CAD、Civil 3d、Inventor、Revit等應用創(chuàng)建的二維、三維設計數(shù)據(jù)與施工總進度設計成果進行融合，該軟件可作為水電工程四維施工模擬規(guī)劃的良好設計平臺。未來四維施工模擬規(guī)劃應繼續(xù)探索地下工程的整合與展現(xiàn)方式，并著重體現(xiàn)施工技術(shù)方案，尋求與施工仿真模擬計算結(jié)合的可能性，使其具有更好的施工指導意義。

[1] WANG H J, ZHANG J P, CHAU K W, et al. 4D dynamic management for construction planning and resource utilization[J]. Automation in Construction, 2004, 13(5): 575- 589．

[2] McKINNEY K, KIM J, FISCHER M, et al. Interactive 4D-CAD[C]∥Proceedings of the Third Congress on Computing in Civil Engineering, ASCE, 1996.

[3] KWAK J M, CHOI G Y, PARK N J, et al. 4D CAD application examples and directions for development in civil engineering projects[C]∥International Conference on Education and Management Technology, 2011．

[4] TULKE J, HANFF J. 4D construction sequence planning-new process and data model[C]∥International Conference on Information Technology in Construction, 2007．

[5] 胡振中, 張建平, 周毅, 等. 青島海灣大橋4D施工管理系統(tǒng)的研究和應用[J]. 施工技術(shù), 2008, 37(12)： 84- 87.

[6] 胡振中, 張建平, 張旭磊. 基于4D施工安全信息模型的建筑施工支撐體系安全分析方法[J]. 工程力學, 2010, 27(12)： 192- 200．

[7] 范喆. 基于BIM技術(shù)的施工階段4D資源動態(tài)管理[D]. 北京： 清華大學, 2010．

[8] 牛博生. BIM技術(shù)在工程項目進度管理中的應用研究[D]. 重慶： 重慶大學, 2012．

[9] 夏建華. 數(shù)字地面模型在工程中的應用[J]. 北京測繪, 2001(3): 66- 67．

[10] 苗倩. 基于BIM技術(shù)的水利水電工程施工可視化仿真研究[D]. 天津： 天津大學, 2011．